최근 국제 정세로 인해 에너지 공급이 불안정해지면서 안정적인 에너지원에 대한 필요성이 대두되고 있다. 에너지 업계에서는 수년 이내에 상용화할 수 있는 소형 모듈 원자로(SMR, Small Modular Reactor)가 그 대안으로 관심이 집중되고 있다. 세계 원자력협회는 SMR이 크기가 소형화돼 안전성이 높고, 건설기간이 짧아 경제적이며, 출력을 조절할 수 있고 지역적 한계를 벗어나 대형 원전에 비해 운용이 유연하다고 밝혔다.

세계적인 탄소 감축 노력의 일환으로 화석 발전을 줄이고 재생에너지를 이용한 발전이 느는 추세다. 그러나 풍력, 태양열을 이용한 재생에너지는 기후 변화에 따라 출력에 변동이 있어 안정적인 공급이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 재생에너지의 간헐성을 뒷받침할 에너지원으로 SMR이 대안으로 떠오르고 있다. 미국을 포함한 여러 나라에서 국가적 차원에서 개발과 상용화를 위한 노력이 이뤄지고 있다.

<미국 전기에너지 발전 동향(2022년 2월 기준)>

주: 화석연료에는 석탄, 석유, 기타 가스, 재생에너지에는 풍력, 수력, 태양열, 바이오매스 등이 속함

[자료: US Energy Information Administration]

소형 모듈형 원자로란?

소형 모듈형 원자로는 가압기, 펌프, 증기발생기 등의 주요 설비를 한 용기에 담아 일체형으로 만든 소형 원자로로 대형 원전에 비해 물리적으로 크기가 작은 원자로이다. 원자로 발전 시 발생하는 열을 냉각시키는 방식에 따라 경수로(PWR)형, 고온가스(HTR)형, 용융염냉각(MSR)형, 고속중성자(FNR)형으로 분류된다. 국제원자력기구(IAEA)는 출력 규모가 300㎿e 이하인 원자로를 소형으로, 700㎿e 이하를 중형으로 분류하고 있다. 그러나 소형, 중형 모두를 소형 모듈형 원자로(SMR)로 통칭하고 있다. 출력 용량이 15㎿e 이하의 원자로는 초소형 모듈형 원자로(vSMR, Very Small Modular Reactor)로 분류하며, 발전 필요량이 적거나 선박처럼 움직임 필요할 때 적합하다. 

SMR은 여러 개의 모듈이 하나의 원전을 구성하는 형태다. 발전 필요량에 따라 모듈 가동을 조절할 수 있으며, 실시간으로 출력을 조절할 수 있어 출력이 고정된 대형 원전에 비해 출력 조절이 용이하다. 모듈은 공장에서 제작돼 건설 현장에서 조립하는 방식으로 건설돼 건설 공기를 단축하고 비용을 절감할 수 있다. 설계 특성상 해안가 건설이 불필요해 입지 조건이 자유롭다. 핵연료 다발이 적고, 일체형으로 설계돼 만약의 사고에도 방사능 유출 위험이 적다. 원자로가 지하에 있고 내진 설계가 되어 테러나 지진으로부터 상대적으로 안전하고 방사선 비상 계획 반경이 대형 원전에 비해 좁아 사회적 거부감도 적을 것으로 기대된다. 

미국 정부의 SMR 개발 투자 현황

미국 에너지국은 2012년 5년간 4억5200만 달러를 지원하는 SMR기술허가지원(SMR Licensing Technical Support) 프로그램을 통해 SMR 개발을 공모했다. 총 4개의 기업이 45~225㎿e 규모의 SMR 개발에 지원했다. 지원 기업은 밥콕앤웰콕스(Babcock & Wilcox), 웨스팅하우스(Westinghouse), 홀텍(Holtec)과 뉴스케일파워(NuScale Power)였으며, B&W가 수혜기업으로 선정됐다. B&W는 2014년 말까지 에너지국으로부터 SMR 개발비로 1억1100만 달러를 수령했으나 회사 내부 사정으로 개발이 중단됐다. 수령한 개발 비용은 환원하지 않은 것으로 알려졌다.

2012년 3월 에너지국은 남캐롤라이나주 사바나 강 지역에 SMR 시범 건설을 공모해 3개사와 건설 부지 제공 계약을 채결했다. 계약을 체결한 3개사와 해당 출력 용량은 각각 하이페리온(Hyperion, 현재 Gen4 Energy)의 25㎿e FNR, 홀텍의 160㎿e PWR, 뉴스케일파워의 45㎿e PWR이다. 에너지국은 2013년 12월 뉴스케일파워와 SMR 개발 비용을 5 대 5로 공동 투자하기로 합의하고 5년간 2억1700만 달러를 지원하기로 발표했다. 

2016년 초 SMR의 관련 기업과 기관이 SMR 스타트(SMR Start)라는 컨소시엄을 구성해 상업용 SMR 제작에 있어 기업, 기관 및 관련 조직 간 소통할 수 있는 창구를 마련했다. SMR 스타트는 회원사를 대표해 미국 원자력규제위원회(NRC), 의회, 행정부와 이견을 조율하고 상호 협력하고 있다. SMR스타트의 회원사는 베치텔(Bechtel), BXW테크놀로지(BWX Technologies), 도미니온(Dominion), 듀크에너지(Duke Energy), 에너지 노스웨스트(Energy Northwest), 플루어(Fluor), GE히타치 원자력 에너지(GEH, GE Hitachi Nuclear Energy), 홀텍(Holtec), 뉴스케일파워(NuScale Power), 온타리오 파워(Ontario Power), PSEG 원자력(PSEG Nuclear), 서던 원자력(Southern Nuclear), 테네시 계곡청(TVA, Tennessee Valley Authority), 유타지역발전시스템(UAMPS, Utah Associated Municipal Power Systems)이다.

뉴스케일파워, 미국 최초로 SMR 설계 인증

뉴스케일파워는 미국 최초로 원자력규제위원회로부터 SMR 설계 인증을 받은 기업이다. 2013년 12월 미국 에너지국으로부터 45㎿e 출력의 경수로형 원자로(PWR) 투자 승인을 받았으며, 추후 2회 설계를 변경해 현재는 77㎿e로 출력을 올려 개발 중이다. 해당 모델은 77㎿e 모듈 12기가 총 924㎿e를 발전하도록 설계됐으며, 모듈은 4기부터 12기까지 발전 필요 상황에 따라 조절할 수 있다.

<뉴스케일파워 모듈 이미지>

[자료: 뉴스케일 홈페이지]

뉴스케일파워는 무탄소 발전 프로젝트(Carbon Free Power Project)에 참여해 UAMPS의 수주를 받아 아이다호주에 SMR을 건설하고 있다. 해당 프로젝트의 SMR은 2025년 12월 착공, 2029년에 운전을 시작해 2030년 상업화하는 것을 목표로 하고 있다. 우리나라 기업 두산에너빌리티가 1억380만 달러를 뉴스케일파워 지분에 투자하면서 기자재 공급권을 확보해 협력사로 있으며, 2022년 하반기 SMR 초도 호기 제작 착수가 예정돼 있다.

뉴스케일파워는 2022년 5월 24일, 루마니아 국유 원자력 회사 뉴클리어일렉트리아(Societatea Nationala Nuclearelectrica), 노바파워(Nova Power&Gas)와 MOU를 체결하고, 루마니아에 뉴스케일파워의 SMR, 보이저 발전소(VOYGR™ power plant)를 건설하기로 합의했다. 해당 발전소는 6기의 모듈로 구성돼 462㎿e를 생산할 예정이다. 루마니아는 기존 석탄발전소 부지를 이용해 보이저 발전소를 건설할 계획으로 기존 송전망을 이용해 건설 시간과 비용을 축소할 예정이라고 밝혔다.

<루마니아와 MOU 체결 중인 뉴스케일파워, 뉴클리어일렉트리아, 노바파워>

주: (왼쪽부터) 스케일파워 존홉키스 대표, 뉴클리어일렉트리아 코스민 기타 대표, 티오필 뮤레산 노바파워 대표

[자료: 뉴스케일파워 홈페이지]

세계원자력뉴스(World Nuclear News)는 2022년 7월 뉴스케일파워와 협력사 파라곤(Paragon)이 개발한 SMR 안전 플랫폼 HIPS(Highly Integrated Protection System)가 NRC로부터 승인받았다고 보도했다. HIPS는 아날로그와 디지털 하이브리드 방식으로 개발됐으며, 수십 년간 업데이트 없이 사용할 수 있을 것으로 보인다. 다양한 원자로 타입에 적용 가능하며, 사이버 공격이 불가능하도록 설계됐다. HIPS의 특허권에는 뉴스케일파워와 파라곤이 공동으로 등록돼 있다.  

차세대 원전으로 8000만 달러 수혜 받은, 엑스에너지

엑스에너지는 2020년 10월 에너지국으로부터 차세대 원자로 실증 프로그램(Advanced Reactor Demonstration Program, ARDP)의 기업으로 선정돼 8000만 달러를 지원받아 2027년까지 운전 가능한 원자로를 개발하고 있다. 엑스에너지의 SMR, Xe-100은 고온가스형으로 80MWe를 생산하는 모듈 4기로 구성돼 총 320MWe를 발전한다. 750도의 헬륨으로 가열된 물이 565도의 증기로 변해 터빈을 가동해, 물을 냉각재로 하는 경수로형(증기온도 275도) 대비 고온 운전이 가능해 전력 생산 효율이 상대적으로 높고 경제적이다. Xe-100은 약 60년가량 운영할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 한국 기업 두산에너빌리티가 설계 및 주기기 제작에 참여하고 있다.

<엑스에너지의 Xe-100의 단면도>

[자료: 엑스에너지 홈페이지]

엑스에너지는 2021년 4월 에너지 노스웨스트, 그랜트 카운티 공공 유틸리티(Grant County Public Utility District)와 MOU를 맺고, 워싱턴주 리치랜드(Richland)에 Xe-100을 건설한다고 밝혔다. 이 프로젝트는 약 24억 달러가 투입될 예정이며, 그중 절반인 12억 달러는 미 에너지국이 ARDP 프로그램을 통해 지원한다.

이 외에도 2017년 11월 요르단 원자력위원회(Jordan Atomic Energy Commission)와 요르단에 Xe-100을 건설하기로 계약했다. 또한, 2016년 8월에는 서던 원자력과 2023년까지 용융염냉각형 원자로 설계를 마치는 것에 합의했다. 엑스에너지는 2018년 9월 설계의 절반 정도를 완성했다고 밝힌 바가 있다.

고송중성자형, 용융염냉각형 SMR 개발 중인 테라파워

테라파워는 2020년 10월 엑스에너지와 같은 차세대 원자로 실증 프로그램(ARDP)의 기업으로 선정돼 7년간 8000만 달러를 지원받게 됐다. 테라 파워는 GEH, 베첼과 함께 고속중성자형 SMR 원자로인 NATRIUM™ Reactor를 개발하고 있다. NATRIUM™ Reactor는 소듐냉각형 원자로에 용융염냉각형 에너지 저장 시스템을 합친 SMR로, 원자로에서 345MWe를 발전하고 용융염으로 5시간 동안 500MWe까지 열을 저장할 수 있다.

<테라파워NATRIUM™ 원자로>

[자료: 테라파워 홈페이지]

소듐냉각형 SMR은 액체 나트륨(Sodium) 금속을 냉각제로 사용함으로써 핵연료 우라늄을 충분히 활용할 수 있다는 장점이 있다. 연료를 재순환 및 재활용할 수 있는 시스템으로 건설할 수 있고, 경수로 사용 후 연료의 저장과 처리가 여타 원전에 비해 경제적이다.

테라파워는 2021년 11월 와이오밍 주에 있는 석탄발전소 부지에 NATRIUM™ 원자로를 건설할 예정이라고 밝혔다. 2026년에 운영 허가를 받을 계획이며, 건설 비용은 미국 에너지국과 테라파워가 5대 5로 투자한다고 밝혔다.

테라파워는 서던 컴퍼니(Southern Company Services), 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)와 함께 용융염냉각형 SMR도 개발하고 있다. 해당 SMR은 2016년 1월 미국 에너지국으로부터 4000만 달러를 투자받아 개발 중으로 워싱턴주 에버렛시에 있는 테라파워 시설에서 2022년 운영될 것으로 기대를 모으고 있다.

<테라파워 용융염냉각형 SMR>

[자료: 테라파워 홈페이지]

또한, 테라파워는 2022년 3월 에너지국으로부터 핵폐기물과 첨단 원자로 처리 시스템(Nuclear Waste and Advanced Reactor Disposal Systems) 개발사로 선정돼 850만 달러를 지원받는다. 그 외에도 지난 7월 SK이노베이션이 테라파워와 MOU를 맺고 SMR 공동 기술 개발 및 구축, 마케팅을 한다고 밝혔다. 테라파워는 빌 게이츠가 투자해 CEO로 있는 기업으로 알려지면서 투자자들의 관심을 받고 있다.

시사점

미국 SMR 기업 중 해외로 수출을 목표로 설계와 개발을 하는 기업들이 많다. USNC, 토르콘(ThorCon), 웨스팅하우스, 엑셀론(Exelon) 등의 기업이 차세대 원전 개발에 뛰어들어, 캐나다, 영국, 중동 등에 원전 건설을 유치하고 있다. 한국 기업으로는 현대엔지니어링이 USNC와 함께 캐나다 '초크리버 초소형모듈원자로 실증사업’에 참여하고 있다.

한국은 세계 최초로 소형 일체형 원자로에 대한 표준설계인가를 획득할 만큼 원자력 발전 분야에서 창의력과 기술력이 좋으며 세계 SMR 업계의 러브콜도 많다. 두산에너빌러티, 현대엔지니어링, 삼성물산, SK이노베이션 등이 설계, 기술 개발 및 주기기 제작 등의 의뢰를 받아 업계에 두각을 나타내고 있다. 미국 SMR 기업 투자사로 있는 A기업의 관계자는 KOTRA 뉴욕 무역관과의 인터뷰에서 “SMR은 친환경 에너지로서 성장 가능성이 크고, 잠재력이 높아, 국내외 많은 중장비 기업에서 미래 먹거리 산업으로 보고 있다. 시장 규모가 큰 미국에서 주도적으로 프로젝트를 운영하고, 한국 기업들이 수주를 받고 있는 형태로 진행되고 있어 기술 개발에 대한 투자가 더 활발해질 것으로 기대된다. 다만, 아직 실용화가 되지 않은 기술이라 검증이 될 때까지는 시간이 걸릴 것으로 보고 투자에 신중을 기해야 할 것”이라고 전했다.

자료: 포브스, 블룸버그, 미국 에너지국, IAEA(국제원자력기구), World Nuclear Association(세계원자력협회), World Nuclear News(세계원자력뉴스), 에너지연구원, 원자력재료종합정보시스템, 뉴스케일파워, 테라파워, 엑스에너지, KOTRA 뉴욕 무역관 종합